JP2013186267A - 液晶光学素子、照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光利用効率が高く良好な光照射パターンを実現する。
【解決手段】液晶光学素子は、対向配置された第１基板３１及び第２基板３２、第１基板と第２基板の各一面側にそれぞれ配置された電極３５、３６、複数のプリズムを有して第１基板の一面側に配置されたプリズムアレイ３３、プリズムアレイと接して第１基板と第２基板の各一面の相互間に配置された液晶層３４を備える。プリズムアレイの複数のプリズムは、各々、当該各プリズムからの出射光の屈折面である第１斜面と、当該第１斜面と一辺を共有して配置された第２斜面を有し、第２斜面は、液晶層の配向状態によって定まる異常光に対する屈折率の最大値とプリズムアレイの屈折率の値との差に基づいて決まるプリズムからの出射光の進行方向と実質的に平行となるように配置されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、液晶光学素子並びにこれを用いた照明装置に関する。

特開２００８−８９７８２号公報（特許文献１）には、液晶光学素子とこれを使用したストロボ装置の先行例が開示されている。この先行例にかかる液晶光学素子は、対向する面に透明電極が形成された一対のガラス基板、それらの間に配置された液晶層、少なくとも一方のガラス基板に設けられたプリズムアレイを備えている。また、ストロボ装置は、上記の液晶光学素子と光源を組み合わせて構成されている。このストロボ装置は、液晶光学素子の液晶層に印加する電圧を増減することによって液晶層の屈折率を変化させ、それにより液晶層とプリズムアレイの界面における両者の屈折率差を変えることで、液晶光学素子を通過する光の配光特性を可変制御する。

ところで、上記の液晶光学素子においてプリズムアレイを光の入射側へ設けた場合に、光源から入射する光の一部が制御できない成分となり、光照射パターンの照度ムラを生じ、あるいは光照射パターンが分裂する場合がある。

特開２００８−８９７８２号公報

本発明に係る具体的態様は、光利用効率が高く良好な光照射パターンを実現することが可能な光照射技術を提供することを目的の１つとする。

本願発明者による検討の結果、上記した先行例の液晶光学素子における課題は、プリズムアレイの各プリズムの断面が直角三角形状であり基板面に対して斜交した面と垂直な面を交互に繰り返した構造を有していることから、あるプリズムから出射した光の一部成分が隣のプリズムの垂直な面に入射してしまうことに起因するとの知見が得られた。かかる知見に基づいて、本願発明者は下記のような発明を創作するに至った。

本発明に係る一態様の液晶光学素子は、（ａ）対向配置された第１基板及び第２基板と、（ｂ）第１基板と第２基板の各一面側にそれぞれ配置された電極と、（ｃ）複数のプリズムを有して第１基板の一面側に配置されたプリズムアレイと、（ｄ）プリズムアレイと接して第１基板と第２基板の各一面の相互間に配置された液晶層を含み、（ｅ）プリズムアレイの複数のプリズムは、各々、当該各プリズムからの出射光の屈折面である第１斜面と、当該第１斜面と一辺を共有して配置された第２斜面を有し、（ｆ）第２斜面は、液晶層の配向状態によって定まる異常光に対する屈折率の最大値とプリズムアレイの屈折率の値との差に基づいて決まるプリズムからの出射光の進行方向と実質的に平行となるように配置された、ことを特徴とする液晶光学素子である。

上記の液晶光学素子によれば、プリズムアレイの各プリズムを構成する２つの斜面のうち一方の斜面を入射光に対して生じる異常光の屈折角が最大となる場合の進行方向と実質的に平行となるように配置することで、あるプリズムから出射した光の一部成分が隣のプリズムに入射してしまうことを回避することができる。したがって、液晶光学素子の光入射側にプリズムアレイを設けた場合における制御可能な光の成分が増え、光利用効率が改善される。このような液晶光学素子をストロボ装置等における光照射パターンの制御に用いることで、制御できない光の成分が減少するので、光照射パターンの照度ムラを抑制し、あるいは光照射パターンが分裂することを回避することができる。

上記の液晶光学素子においては、第２斜面とプリズムからの出射光の進行方向とのなす角度が±３°以内であることが好ましい。

製造上の誤差等を考慮すると、第２斜面とプリズムからの出射光の進行方向とのなす角度が±３°以内であれば両者が実質的に平行であるとみなし得るためである。

上記の液晶光学素子においては、液晶層の常光に対する屈折率とプリズムアレイの屈折率とが略等しいことも好ましい。

これによれば、各プリズムからの出射光が液晶層と各プリズムとの界面において屈折することがないので、光照射パターンの設計がより容易になる。

上記の液晶光学素子において、プリズムアレイは、平面視において円形状又は楕円形状であってもよい。

これにより、特にストロボ装置における光照射パターンの制御に適した液晶光学素子が得られる。

本発明に係る一態様の照明装置は、上記した何れかの液晶光学素子と、この液晶光学素子へ光を入射させる光源を含んで構成される。ここでいう「照明装置」には、ストロボ装置のほか、屋内照明、街路灯、懐中電灯等の一般照明器具、自動車用照明灯具、二輪車用灯具など種々の照明装置が含まれる。

これによれば、光利用効率が高く良好な光照射パターンを実現することが可能な照明装置が得られる。

図１（Ａ）および図１（Ｂ）は、一実施形態のストロボ装置（照明装置）の構成を示す模式図である。 図２は、第１実施形態の液晶光学素子の構成を示す模式断面図である。 図３は、第１実施形態におけるプリズムアレイの部分拡大図である。 図４（Ａ）、図４（Ｂ）、図４（Ｃ）は、第１実施形態の液晶光学素子を用いたストロボ装置の光照射パターンについて説明するための図である。 図５は、第２実施形態の液晶光学素子の構成を示す模式断面図である。 図６は、第３実施形態の液晶光学素子の構成を示す模式断面図である。 図７は、第３実施形態におけるプリズムアレイの部分拡大図である。 図８は、第４実施形態の液晶光学素子の構成を示す模式断面図である。

以下に、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１（Ａ）および図１（Ｂ）は、一実施形態のストロボ装置（照明装置）の構成を示す模式図である。本実施形態のストロボ装置は、ＬＥＤ（発光素子）を有する光源１と、この光源１から出射する光を集光するレンズ（非球面凸レンズ）２と、このレンズ２によって集光された光の照射パターンを制御するための液晶光学素子３を含んで構成されている。また、液晶光学素子３には図示しない駆動装置が接続され、この駆動装置によって液晶光学素子３へ電圧が供給される。

液晶光学素子３は、液晶層とプリズムアレイを備えており、駆動装置による電圧供給を受けて液晶層における液晶分子の配向状態が変化し、それによって液晶層とプリズムアレイの界面における屈折率差を生じさせることで、液晶光学素子３を通過する光の屈折角を変化させて光の進行方向を変化させる。例えば、液晶光学素子は、液晶層が電圧無印加時において水平配向状態であり、電圧印加時に液晶層の略全体を垂直配向状態へ遷移するように構成されているとする。このとき、電圧印加時には図１（Ａ）に示すように液晶層とプリズムアレイとの界面における屈折率差がなくなり、液晶光学素子３に入射した光は基本的にその進行方向が変わらない。これに対して、電圧無印加時には図１（Ｂ）に示すように液晶層のプリズムアレイとの界面における屈折率差が生じ、液晶光学素子に入射した光はその一部成分の進行方向が変化する。これにより、電圧印加時には光照射パターンがより狭角となり（図１（Ａ）参照）、電圧無印加時には光照射パターンがより広角となる（図１（Ｂ）参照）。すなわち、本実施形態のストロボ装置は、光源１から出射する光の光照射パターンを電気的に、かつ連続的に制御することが可能である。

本実施形態のストロボ装置の全体構成および概略動作は以上の通りであり、次に、液晶光学素子のより詳細な実施形態について説明する。

図２は、第１実施形態の液晶光学素子の構成を示す模式断面図である。図２に示す第１実施形態の液晶光学素子は、非結像系の素子であり、相互に対向配置された第１基板３１および第２基板３２と、第１基板３１の一面側に配置されたプリズムアレイ３３と、第１基板３１と第２基板３２の各一面の間に配置された液晶層３４と、第１基板３１の一面側に配置された第１電極３５と、第２基板３２の一面側に配置された第２電極３６を含んで構成されている。

第１基板３１と第２基板３２は、それぞれガラス基板等の透明基板である。例えば、厚さ０．７ｍｍ程度のガラス基板を用いることができる。第１基板３１と第２基板３２の間には図示しないギャップコントロール材が設けられており、両者間の間隙が例えば数μｍ〜数十μｍに保持されている。

第１電極３５は、例えばＩＴＯ（インジウム錫酸化物）膜などの透明導電膜からなり、第１基板３１の一面側に設けられている。同様に、第２電極３６は、例えばＩＴＯ膜などの透明導電膜からなり、第２基板３６の一面側に設けられている。これらの第１電極３５および第２電極３６は上記した駆動装置（図示省略）に接続されており、液晶層３４に電圧を印加するために用いられる。

プリズムアレイ３３は、一方向に配列された複数のプリズムを有しており、第１基板３１の一面側に設けられている。このプリズムアレイ３３は、例えば紫外線硬化樹脂を用いて形成することができる。本実施形態のプリズムアレイ３３は、それぞれの断面が三角形状であり図２の紙面と直交する方向に延在する長尺のプリズムを図２の紙面の左右方向に沿って配列して構成されている。

液晶層３４は、プリズムアレイ３３と接して第１基板３１と第２基板３２の相互間に配置されている。例えば本実施形態では、液晶層３４は、誘電率異方性が正のネマティック液晶材料を第１基板３１と第２基板３２の相互間に注入することによって形成されている。本実施形態の液晶層３４は、電圧無印加時における液晶分子の配向方向が基板面に略水平となる水平配向状態に設定されている。ここで、本実施形態においては液晶層３４を一軸配向させるための配向処理は特段に行われていない。このため、液晶層３４は全体的にはいわゆるアモルファス配向状態となっている。

図３は、第１実施形態におけるプリズムアレイ３３の部分拡大図である。図３に示すようにプリズムアレイ３３の各プリズムは、それぞれが第１基板３１の基板面に対して斜交する２つの斜面３３１、３３２を有する。プリズムアレイ３３の具体的な形状については、プリズム高さｈが一定、プリズムピッチｐが可変であることが好ましい。プリズム高さｈを一定とすることにより、液晶層３４の層厚（換言すれば第１基板３１と第２基板３２の間隙）を一定に保ち、かつプリズムアレイ３３と第２基板３２の一面側との接触を防ぐことが容易になる。また、プリズムピッチｐを可変とするのは、フレネル中心（図２参照）からの距離によって各プリズムの斜面３３１へ入射する光Ｌｉｎの入射角θｉｎが異なり、異常光Ｌｅの屈折角θｏｕｔも変化することから斜面３３２の角度を変える必要があるためである。また、プリズムアレイ３３は、本実施形態のようにストロボ装置の配光制御に用いる場合には平面視において同心円状または楕円形状であることがより好ましい。

斜面（第１斜面）３３１は、プリズムからの出射光の屈折面であり、第１基板３１を透過してプリズムアレイ３３に入射する光（以下「入射光」という）Ｌｉｎに対する異常光Ｌｅの進行方向がフレネル中心から離れるようにして、入射光Ｌｉｎに交差して配置されている。具体的には、斜面３３１は、その法線方向と入射光Ｌｉｎとのなす角度θｉｎが０°より大きく９０°未満の範囲となるように配置されている。なお、入射光Ｌｉｎの斜面３３１へ入射するときの進行方向については、第１基板３１へ入射する光の進行方向と第１基板３１の屈折率の値と空気の屈折率の値に基づいて定まる。

斜面３３２は、斜面３３１と一辺を共有して配置されており、プリズムアレイ３３と液晶層３４との屈折率差が最大となる場合における異常光Ｌｅの進行方向に対してほぼ平行となるように配置されている。別言すると、斜面３３２は、液晶層３４の配向状態によって定まる異常光に対する屈折率ｎｅの最大値とプリズムアレイの屈折率ｎｐの値との差に基づいて決まる異常光Ｌｅ（プリズムからの出射光）の進行方向と実質的に平行となるように配置されている。異常光Ｌｅの進行方向についてはプリズムアレイ３３と液晶層３４との屈折率の差が最大である場合における屈折角θｏｕｔが計算により求められるため、これに基づいて定まる。なお、製造上の誤差等を考慮すると、斜面３３２は、異常光Ｌｅの進行方向に対して±３°の範囲内まで許容し得る（すなわち、ほぼ平行といえる）。

詳細には、液晶層３４は、屈折率異方性および誘電率異方性を有する媒体であり、印加された電圧の大きさに応じて液晶分子の配向状態が変化する。このとき、常光（常光線）Ｌｏに対する屈折率ｎｏは液晶分子の配向状態によらず一定である。ここで、常光に対する屈折率ｎｏは液晶層３４の液晶材料の液晶分子短軸方向の屈折率と等しいので、この液晶分子短軸方向の屈折率（例えば１．５４）がプリズムアレイ３３の屈折率とほぼ等しければ、図示のように常光Ｌｏの進行方向は液晶分子の配向状態によらず入射光Ｌｉｎと同じになる。これに対して、異常光（異常光線）Ｌｅに対する屈折率ｎｅは液晶分子の配向状態により変化する。この異常光に対する屈折率ｎｅが最大となるのは、液晶層３４に比較的高い電圧を印加して液晶層３４のほぼ全体で液晶分子の配向状態が垂直配向状態に遷移したときであり、このときの異常光に対する屈折率ｎｅは液晶分子長軸方向の屈折率（例えば１．７４）と等しくなる。ここで、プリズムアレイ３３の屈折率（例えば１．５４）と異常光に対する屈折率ｎｅの差は既知であり、かつ入射光Ｌｉｎの入射角θｉｎは上記したように設計上定まる値である。このため、これらの条件に基づいて異常光Ｌｅの屈折角θｏｕｔが定まり、異常光Ｌｅの進行方向が定まる。したがって、この異常光Ｌｅの進行方向に実質的に平行となるように各プリズムの斜面３３２を設けることができる。

図４（Ａ）、図４（Ｂ）、図４（Ｃ）は、第１実施形態の液晶光学素子を用いたストロボ装置の光照射パターンについて説明するための図である。液晶光学素子３へ電圧が印加されている場合には、液晶層３４における常光、異常光のそれぞれに対する屈折率がプリズムアレイ３３の屈折率と等しく、両者の界面における光の屈折は生じない。このため図４（Ａ）に示すように、液晶光学素子３を通過した光の照射パターンはレンズ２を通過した光の照射パターンと同じになり、狭角配光パターンとなる。一方、液晶光学素子３へ電圧が印加されていない場合には、液晶層３４における異常光に対する屈折率がプリズムアレイ３３の屈折率と差を生じ、両者の界面における光の屈折を生じる。このため図４（Ｂ）に示すように、異常光は周辺に分離した照射パターンとなる。また、このときの常光の照射パターンは図４（Ａ）に示した照射パターンとなる。したがって、図４（Ｃ）に示すように常光と異常光を合成した照射パターンは広角配光パターンとなる。

図５は、第２実施形態の液晶光学素子の構成を示す模式断面図である。図５に示す第２実施形態の液晶光学素子は、基本的に第１実施形態の液晶光学素子と共通の構造を有しており、第２基板３２の一面側にもプリズムアレイ３７が設けられた点のみが異なっている。このプリズムアレイ３７は、上記した第１実施形態の液晶光学素子におけるプリズムアレイ３３と同様の材料を用いて形成されている。なお、第１実施形態と共通する構成要素については同一符号を用いており、それらの詳細説明は省略する。このように第２基板３２の一面側にもプリズムアレイ３７を設けることで、さらに広角配光に配光制御することができる。

図６は、第３実施形態の液晶光学素子の構成を示す模式断面図である。図６に示す第３実施形態の液晶光学素子は、結像系の素子であり、基本的に第１実施形態の液晶光学素子と共通の構造を有しており、第１基板１１の一面側のプリズムアレイの構造が第１実施形態とは異なっている。このプリズムアレイ３３ａは、上記した第１実施形態の液晶光学素子におけるプリズムアレイ３３と同様に形成されている。なお、第１実施形態と共通する構成要素については同一符号を用いており、それらの詳細説明は省略する。

図７は、第３実施形態におけるプリズムアレイ３３ａの部分拡大図である。図７に示すようにプリズムアレイ３３ａの各プリズムは、それぞれが第１基板３１の基板面に対して斜交する２つの斜面３３１ａ、３３２ａを有する。このプリズムアレイ３３ａは、上記した第１実施形態のプリズムアレイ３３とは左右反転した断面構造を有している。具体的には、斜面３３１ａは、第１基板３１を透過してプリズムアレイ３３に入射する入射光Ｌｉｎに対する異常光Ｌｅの進行方向がフレネル中心へ向かうようにして、入射光Ｌｉｎに交差して配置されている。また、斜面３３２ａは、プリズムの斜面３３１ａにおけるプリズムアレイ３３ａと液晶層３４との屈折率差が最大となる場合における異常光Ｌｅの進行方向に対してほぼ平行となるように配置されている。なお、製造上の誤差等を考慮すると、斜面３３２は、異常光Ｌｅの進行方向に対して±３°の範囲内まで許容し得る（すなわち、実質的に平行といえる）。

図８は、第４実施形態の液晶光学素子の構成を示す模式断面図である。図８に示す第４実施形態の液晶光学素子は、基本的に第３実施形態の液晶光学素子と共通の構造を有しており、第２基板３２の一面側にもプリズムアレイ３７ａが設けられた点のみが異なっている。このプリズムアレイ３７は、上記した第１実施形態の液晶光学素子におけるプリズムアレイ３３と同様の材料を用いて形成されている。なお、第３実施形態と共通する構成要素については同一符号を用いており、それらの詳細説明は省略する。このように第２基板３２の一面側にもプリズムアレイ３７ａを設けることで、さらに集光することができる。

以上のような各実施形態によれば、液晶光学素子におけるプリズムアレイの各プリズムを構成する２つの斜面のうち一方の斜面を入射光に対して生じる異常光の屈折角が最大となる場合の進行方向と実質的に平行となるように配置することで、あるプリズムから出射した光の一部成分が隣のプリズムに入射してしまうことを回避することができる。したがって、液晶光学素子の光入射側にプリズムアレイを設けた場合における制御可能な光の成分が増え、光利用効率が改善される。また、制御できない光の成分が減少することにより、光照射パターンの照度ムラを抑制し、あるいは光照射パターンが分裂することを回避することができる。また、光源の光軸方向にレンズを動かして光源とレンズの相対距離を変える機械的な機構が不要であるという利点もある。

なお、本発明は上述した実施形態の内容に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々に変形して実施をすることが可能である。

例えば、上記した実施形態はデジタルスチールカメラ、カメラ付き携帯電話、ビデオカメラ等におけるＬＥＤを光源とするストロボ装置について例示していたが、本発明の適用範囲はこれに限定されず、屋内照明、街路灯、懐中電灯等の一般照明器具、自動車用照明灯具、二輪車用灯具など種々の照明装置に適用することが可能である。

また、上記した各実施形態においてストロボ装置の目標配光を得るために光源と液晶光学素子の間に配置されていたレンズは、非球面凸レンズに限定されず、球面レンズ、フレネルレンズ、回折レンズであってもよい。また、リフレクタ、ランバーシアン発光ＬＥＤ、一次レンズと同様な配光制御レンズ付きＬＥＤなどを用いることで一次レンズを省略してもよい。

また、上記した各実施形態においては、液晶光学素子は電圧無印加時に水平配向状態に設定された液晶層を備えていたが、外部から電気的に屈折率を可変できる限りにおいて液晶層は水平配向状態に限定されず、例えば液晶材料として負の誘電率異方性を用いた垂直配向状態としてもよい。

１：光源
２：一次レンズ
３：液晶光学素子
３１：第１基板
３２：第２基板
３３、３３ａ：プリズムアレイ
３４：液晶層
３５：第１電極
３６：第２電極
３７、３７ａ：プリズムアレイ
３３１、３３２：斜面

Claims (5)

1. 対向配置された第１基板及び第２基板と、
   前記第１基板と前記第２基板の各一面側にそれぞれ配置された電極と、
   複数のプリズムを有して前記第１基板の一面側に配置されたプリズムアレイと、
   前記プリズムアレイと接して前記第１基板と前記第２基板の各一面の相互間に配置された液晶層と、
   を含み、
   前記プリズムアレイの前記複数のプリズムは、各々、当該各プリズムからの出射光の屈折面である第１斜面と、当該第１斜面と一辺を共有して配置された第２斜面を有し、
   前記第２斜面は、前記液晶層の配向状態によって定まる異常光に対する屈折率の最大値と前記プリズムアレイの屈折率の値との差に基づいて決まる前記プリズムからの出射光の進行方向と実質的に平行となるように配置された、
   液晶光学素子。
2. 前記第２斜面と前記プリズムからの出射光の進行方向とのなす角度が±３°以内である、請求項１に記載の液晶光学素子。
3. 前記液晶層の常光に対する屈折率と前記プリズムアレイの屈折率とが略等しい、請求項１又は２に記載の液晶光学素子。
4. 前記プリズムアレイは、平面視において円形状又は楕円形状である、請求項１〜３の何れか１項に記載の液晶光学素子。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載の液晶光学素子と、
   前記液晶光学素子へ光を入射させる光源と、
   を含む、照明装置。

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